Vorhersagen der Grundwasserneubildung in gegensätzlichen Klima: Der Effekt von Modelvereinfachungen und Kalibration auf simulierte Grundwasserneubildungsraten

Christian Moeck1, Jana von Freyberg2, Mario Schirmer1
1 Eawag – Wasserforschungs-Institut des ETH-Bereichs
2 ETH Zürich

P 15.4 in Groundwater and Climate Change (co-organized by IAH-D)

Unsere Studie untersucht, welchen Einfluss die Modelkomplexität und die ausgewählte Kalibrationsperiode auf simulierte Grundwasserneubildungsraten haben. Dafür wurde eine 20-jährige Messreihe täglicher Grundwasserneubildungsraten von einen Gross-Lysimeter mittels eines sogenannten „Differential Split-Sample Test (DSST)“ genutzt, um vier unterschiedlich komplexe Grundwasserneubildungsmodelle zu kalibrieren. Der DSST vergleicht Simulationen unterschiedlicher Zeitperioden mit verschiedenen klimatischen Eigenschaften (Andreassian et al. 2009). Die vier Grundwasserneubildungsmodelle wurden basierend auf sechs verschiedenen klimatischen Zeitperioden mit einem eingeschränkten Monte-Carlo Ansatz kalibriert (Tonkin and Doherty 2009).

Trotz deutlicher Unterschiede in den klimatischen Bedingungen einzelner Kalibrationsperioden konnten alle Modelle ähnlich gut kalibriert werden. Jedoch zeigt sich in der Validierungsphase, dass die komplexeren physikalischen Modelle die Grundwasserneubildung in einem kleineren Unsicherheitsbereich vorhersagen als die beiden vereinfachten Modelle. Generell konnten wir für diese Modelle eine starke Abhängigkeit von der gewählten Kalibrationsperiode, d.h. von den klimatischen Bedingungen innerhalb dieser Periode, identifizieren. Für eine Kalibrationsperiode, die sehr unterschiedlichen klimatische Bedingungen enthält (z. Bsp. sehr nasse und sehr trockene Perioden) waren die Unsicherheitsbereiche am kleinsten. Es zeigt sich auch, dass für alle Modelle generelle Trends zwischen den ausgewählten Kalibrationsperioden und der Validierungsphase zu beobachten sind. Die Grundwasserneubildung wurde überschätzt, wenn die Validierungsphase nasser war als die Kalibrationsperiode, wohingegen bei einer trockeneren Validierungsphase die Grundwasserneubildung tendenziell unterschätzt wurde. Die vier Modelle zeigten die besten Resultate, wenn die klimatischen Bedingungen während der Validierungsphase denen der Kalibration ähnlich war. Dieser Trend trat bei allen Grundwasserneubildungsmodellen auf, war jedoch weniger ausgeprägt für die komplexeren physikalischen Modelle.

Die gefundenen Unterschiede in den simulierten Grundwasserneubildungsraten zwischen den Modellen und den klimatisch unterschiedlichen Kalibrationsperioden sind für weitere Bodentypen und Untersuchungsgebiete ebenfalls zu erwarten. Unsere Ergebnisse sind daher in jenen Bereichen der Hydrogeologie (z.B. Klimaauswirkungsstudien, Wasserressourcenmanagement, etc.) von Relevanz, in denen vereinfachte Grundwasserneubildungsmodelle für die Entscheidungsfindung genutzt werden. Unsere Analyse deutet auf unterschiedliche Robustheiten der Modelle hin und zeigt, dass kalibrierte Modelparameter unter bestimmten klimatischen Bedingungen nur eingeschränkt übertragbar sind um Grundwasserneubildungsraten in gegensätzlichen Klima zu simulieren.



Andreassian, V., C. Perrin, L. Berthet, N. Le Moine, J. Lerat, C. Loumagne, L. Oudin, T. Mathevet, M.H. Ramos, and A. Valery. (2009): HESS Opinions 'Crash tests for a standardized evaluation of hydrological models'. Hydrology and Earth System Sciences 13 no. 10: 1757-1764.

Tonkin, M., and J. Doherty. (2009): Calibration-constrained Monte Carlo analysis of highly parameterized models using subspace techniques. Water Resources Research 45.